非胆碱能基底前脑神经元：跨模态选择性注意的共同汇聚中枢

《SCIENCE ADVANCES》：Selective attention to auditory and visual modalities converges onto noncholinergic basal forebrain neurons

本文推荐研究为解决“选择性注意的神经机制是否依赖皮层下结构直接传递注意信号”这一核心问题。研究人员以大鼠为模型，设计跨模态oddball任务，结合电生理记录，揭示了非胆碱能基底前脑（BF）bursting神经元将听觉与视觉选择性注意信号汇聚于同一群体，其活动以线性加和方式整合被注意与忽略的输入，并能在单试次水平动态追踪注意转移。该发现首次明确了BF作为跨模态注意的皮层下枢纽，为理解注意障碍相关疾病的神经基础提供了新视角。

　　

论文解读

在纷繁复杂的环境中，我们的大脑如何迅速锁定重要的信息，同时过滤掉无关的干扰？这个过程被称为选择性注意，它是认知功能的核心。传统观点认为，选择性注意主要依赖于大脑皮层和丘脑等高级中枢的调控。然而，一个位于大脑深处、被称为基底前脑（Basal Forebrain， BF）的小型核团，长期以来也被怀疑在注意调控中扮演关键角色，但其具体机制，尤其是它是否直接编码“注意信号”本身，一直悬而未决。

基底前脑因其富含向大脑皮层广泛投射的胆碱能神经元而闻名，这类神经元与唤醒、学习和记忆密切相关。然而，近年研究发现，BF内还存在另一类功能独特的“爆发性放电神经元”（bursting neurons），它们对奖赏预测性刺激反应强烈，但其活动是否受选择性注意直接调制，以及不同感觉模态（如听觉和视觉）的注意信号在BF中是如何组织的，是两个尚未解决的根本问题。是像皮层那样，由不同的神经元群体分别处理不同模态的注意信号？还是存在一个跨模态的“公共通道”，将不同感官的注意信息汇聚到一起？

为了解决这些问题，研究人员在《SCIENCE ADVANCES》上发表了一项研究。他们巧妙地设计了一套让大鼠在听觉和视觉之间快速切换注意的跨模态oddball（ oddball）任务，并同步记录了BF神经元的电活动。结果发现，BF中的非胆碱能bursting神经元构成了一个跨模态选择性注意的汇聚中枢。

研究采用的主要关键技术方法包括： 1) 跨模态oddball行为范式：训练成年Long-Evans大鼠在无明确提示下，根据奖赏规则在听觉和视觉区块间快速切换注意；2) 在体多通道电生理记录：在大鼠执行任务时，双边记录BF区域的神经元活动；3) 基于放电特征的神经元分类：依据基线放电率（<10 spikes/s）和对奖赏预测刺激的强相位反应，从记录的1454个神经元中鉴定出582个BF bursting神经元；4) 单试次行为与神经活动关联分析：包括主成分分析（PCA）用于解码注意状态，以及基于选择概率和反应幅度的动态追踪分析，以关联神经活动与自发的、任务驱动的注意转移。

研究结果

行为学证据表明大鼠在跨模态oddball任务中展现了选择性注意

研究人员设计了一个任务，每2秒同时呈现一个听觉和一个视觉刺激，每个模态包含高频的标准刺激（S_A/S_V）和低频的oddball刺激（O_A/O_V）。奖赏关联的模态（听觉相关区块bkA或视觉相关区块bkV）会无提示地切换。研究发现，大鼠的行为选择完全由被注意模态的oddball驱动，而忽略另一模态的输入。例如，在bkA中，无论视觉刺激是O_V还是S_V，大鼠对O_A的反应（选择portA）概率相同。这种行为模式在任务驱动的区块转换和自发的注意切换中都稳定存在，证明了动物能灵活部署跨模态选择性注意。

BF bursting神经元的活动被选择性注意强烈调制

记录发现，BF bursting神经元仅对当前被注意的oddball刺激产生强烈的兴奋性反应，而对相同的刺激在被忽略时反应微弱。例如，在O_AS_V配置中，当听觉oddball被注意时（bkA中的chA选择），神经元反应强烈；而当它被忽略时（bkV中），反应大幅减弱至基线水平附近。这种调制是快速且二元的，反映了刺激是被“注意”还是被“忽略”的状态。

听觉和视觉选择性注意信号汇聚于相同的BF神经元

一个关键发现是，处理听觉注意和视觉注意的并非BF中不同的神经元亚群。相反，对听觉oddball（O_AS_V-bkA-chA）反应强烈的神经元，对视觉oddball（S_AO_V-bkV-chV）也同样反应强烈。神经元在两种注意条件下的反应幅度高度相关。这表明，与皮层-丘脑环路中注意信号按模态特异性分布不同，BF bursting神经元是一个跨模态的汇聚点。

被注意和忽略的刺激在汇聚于BF前被并行处理并线性加和

当听觉和视觉oddball同时出现（O_AO_V）但只有其一被注意时，BF的反应近乎等于对单独出现的被注意oddball的反应加上对单独出现的被忽略oddball的反应。这支持了“并行处理与线性加和”模型，即两种感觉输入在被注意力筛选后，独立地、近乎线性地汇聚到BF神经元，而非存在显著的抑制性或协同性交互。

BF的二元反应模式动态追踪快速的注意转移

BF bursting神经元的活动能在单试次水平上紧密追踪注意状态的快速变化。无论是在任务驱动的区块转换，还是在自发的、无奖赏的注意切换期间，神经元的反应幅度都与动物的行为选择概率高度同步。当动物注意某个刺激时，BF呈现高反应模式；当忽略时，则呈现低反应模式。

BF反应模式可可靠地在单试次水平解码被注意的模态

通过主成分分析（PCA）发现，BF群体活动的第一主成分（PC1）能区分“注意”与“忽略”状态，而第二主成分（PC2）则能区分被注意的模态是听觉还是视觉。PC2的活动动态与一个选择性注意指数（p(chA|O_A) ? p(chV|O_V)）高度相关，能够可靠地追踪在区块转换和自发切换期间被注意模态的瞬时变化。

研究结论与意义

本研究表明，非胆碱能BF bursting神经元作为一个皮层下枢纽，整合了跨感觉模态的选择性注意信号。其活动直接反映了注意的焦点，并且以线性加和的方式整合来自不同通道的输入。这与皮层-丘脑环路中模态特异性的注意机制形成了鲜明对比。BF的这种跨模态、与行为紧密锁定的注意信号，可能扮演着“后期选择/目标检测”的角色，将经过筛选的、行为相关的感觉信息进行放大，进而促进奖赏寻求行为。

该研究的发现具有多重重要意义。首先，它明确了BF中一类特定神经元群体在高级认知功能中的直接作用，将BF的功能从传统的弥散性调节定位到精确的注意信号传递。其次，它揭示了跨模态注意汇聚的一种新机制，为理解大脑如何整合多感官信息以实现统一的行为目标提供了新的神经基础。最后，由于基底前脑功能障碍与阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性疾病中的认知衰退密切相关，此项研究为理解这些疾病中注意缺陷的病理机制提供了潜在的神经环路解释，可能为未来的干预策略提供新的靶点。